Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Расчет насадочного абсорбера - файл n1.doc


Расчет насадочного абсорбера
скачать (81.9 kb.)

Доступные файлы (1):

n1.doc423kb.31.03.2010 19:01скачать

Загрузка...

n1.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
Для поглощения NH3 водой; V = 3500 м/ч; NH3 = 0,14 мас. доли; конеч­ная концентрация 0,06 мас. доли. Избыточное давление 150 мм рт.ст. Темпера­тура воды 15 С.
ВВЕДЕНИЕ

Абсорбцией называют процесс поглощения газа или пара жидким по­глотителем (абсорбентом). Поглощение газа может происходить либо за счет его растворения в абсорбенте, либо в результате его химического взаимодей­ствия с абсорбентом. В первом случае процесс называют физи­ческой абсорб­цией, а во втором случае – хемосорбцией. Возможно также сочетание обоих механизмов процесса.

В промышленности абсорбция широко применяется для выделения из газовых смесей ценных компонентов, для очистки технологических и горю­чих газов от вредных примесей, для санитарной очистки газов и т.д.

При переходе из газовой фазы в жидкую, энергия молекул распределя­е­мого компонента уменьшается. Поэтому процесс абсорбции сопровождается выделением тепла и повышением температуры системы. Кроме того, объем системы в процессе абсорбции уменьшается за счет уменьшения объема га­зовой фазы. Следовательно, согласно принципу Ле-Шателье, растворимость газа в жидкости увеличивается при повышении давления и уменьшении тем­пературы процесса. Статика процесса абсорбции описывается уравнением Генри, а кинетика – основными уравнениями массопередачи.

При абсорбции процесс массопередачи протекает на поверхности со­п­рикосновения фаз. Поэтому в аппаратах для поглощения газов жидкостями (абсорберах) должна быть создана развитая поверхность соприкосновения между газом и жидкостью. По способу образования этой поверхности аб­сорбционные аппараты можно разделить на поверхностные, барботажные и распыливающие.

В абсорберах поверхностного типа поверхностью соприкосновения фаз является зеркало жидкости или поверхность стекающей пленки.

Насадочные колонны представляют собой колонны, загруженные насад­кой - твердыми телами различной формы; при наличии насадки увеличива­ется поверхности соприкосновения газа и жидкости.

Эффективность работы насадочного абсорбера во многом зависит не только от гидродинамического режима, но и от типа выбранной насадки. Разнообразие применяемых насадок объясняется множеством предъявляемых к ним требований: большая удельная поверхность и свободный объем, ма­лое гидравлическое сопротивление газовому потоку, равномерное распре­деление абсорбента, хорошая смачиваемость, коррозионная стойкость, ма­лая насып­ная плотность и низкая стоимость.

В барботажных абсорберах поверхность соприкосновения фаз развива­ется потоками газа, распределяющегося в жидкости в виде пузырьков и струек. Такое движение газа, называемое барботажем, осуществляется в та­рельчатых колоннах с колпачкаовыми, ситчатыми или провальными тарел­ками. Особенностью тарельчатых колонн является ступенчатый характер проводимого в них процесса (в отличие от непрерывного процесса в наса-дочных колоннах) газ и жидкость последовательно соприкасаются на от­дель­ных ступенях (тарелках) аппарата

В распыливающих абсорберах поверхность соприкосновения создается путем распыления жидкости в массе газа на мелкие капли. Такие абсорбе­ры изготовляются обычно в виде колонн, в которых распыление жидкости про­изводится сверху, а газ движется снизу вверх.
1. ВЫБОР ТИПА АБСОРБЕРА

Все перечисленные типы абсорберов имеют свои достоинства и недос­татки. Поверхностные абсорберы малоэффективны и имеют ограниченное применение, главным образом для абсорбции небольших количеств хорошо растворимых газов.

Преимуществом распылительных абсорберов является их простота и дешевизна, низкое гидравлическое сопротивление, а недостатками – допол­нительные затраты энергии на распыление жидкости, большая плотность орошения и трудность регулирования подачи большого количества жидкости

Преимуществом барботажных абсорберов является хороший контакт меж­ду фазами и возможность работы при любом, в том числе и низком, рас­хо­де жидкости, кроме того в барботажных абсорберах легко осуществить от­вод теплоты. Основной недостаток барботажных абсорберов сложность кон­струкции и высокое гидравлическое сопротивление.

Насадочные колонны – наиболее распространенный тип абсорберов. Преимуществом их является простота устройства, особенно важная при ра­боте с агрессивными средами, так как в этом случае требуется защита от кор­розии только корпуса колонны и поддерживающих насадку решеток, на­садка же может быть выполнена из химически стойкого материала. Важным пре­имуществом насадочных колонн более низкое, чем в барботажных аб­сорбе­рах, гидравлическое сопротивление. Однако насадочные колонны мало при­годны при работе с загрязненными жидкостями, при малых расходах жидко­сти и при больших тепловыделениях.

В результате абсорбции аммиака водой образуется щелочной раствор являющийся коррозионно-активным, поэтому выбираем насадочный тип аб­сорбера с керамической насадкой, кроме того при работе под атмосферным давлением гидравлическое сопротивление насадочного абсорбера будет меньше, чем у барботажного.

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА



4. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

Газовоздушная смесь с помощью газодувки ГД подается в насадочный абсорбер А. В верхнюю часть абсорбера центробежным насосом Н подается вода. Вода стекает по насадке вниз, а навстречу ей движется газовоздуш­ная смесь. При взаимодействии фаз аммиак растворяется в воде и воздух очища­ется. Вода насыщенная аммиаком самотеком поступает в приемную ем­кость ПЕ, а очищенный воздух выбрасывается в атмосферу.
5. ВЫБОР КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Так как водный раствор аммиака при температуре 15 С° является корро­зионно активным веществом, то в качестве конструкционного матери­ала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, которая является стойкой в сильно агрессивных средах до тем­пературы 600°С [4с59].


  1. МАТЕРИАЛЬНЫЙ РАСЧЕТ АБСОРБЕРА

6.1. Плотность газовой смеси на входе в аппарат.


Мольная концентрация аммиака в газовой смеси на входе в аппарат:

= (0,14/17) / (0,14/17 + 0,86/29) = 0,22.

Мольная концентрация аммиака в газовой смеси на выходе из аппарата:

yк = (0,06/17) / (0,06/17 + 0,94/29) = 0,010,

где МВ = 17 – мол. масса аммиака,

МА = 29 – мол. масса воздуха.

При нормальных условиях:

= [МАyн + (1–yнВ] / 22,4 = [170,22+(1 – 0,22)29]/22,4 = 1,18 кг/м3,

при рабочих условиях: t = 15 C; Р = 760+150 = 910 мм рт.ст. = 121 кПа:

Н = ОНТ0Р/(ТР0) = 1,18273121/(101288) = 1,34 кг/м3.

6.2. Массовые расходы

Массовый расход исходной смеси на входе в аппарат:


GН = VН/3600 = 35001,34/3600 = 1,30 кг/с.

Расход распределяемого компонента Gркн и инертного вещества Gин:

Gркн = GН = 1,300,14 = 0,182 кг/с,

Gин = GН(1 – ) = 1,300,86 = 1,118 кг/с.

Расход газовой фазы на выходе:

GК = Gин / (1 – ) = 1,118/(1– 0,060) = 1,189 кг/с.

Количество поглощенного вещества:

М = 1,30 – 1,189 = 0,111 кг/с.

Масса распределяемого компонента в газовой фазе на выходе:

Gркк = GК – Gин = 1,288– 1,118= 0,017 кг/с.

6.3. Относительная концентрация аммиака на входе и выходе:


= Gркн / Gин = 0,182/1,118= 0,163 кг/кг,

= Gркк / Gин = 0,017/1,118= 0,015 кг/кг.

6.4. Расход инертной фазы.


С помощью уравнения Генри (1) строим диаграмму и наносим на нее рабочую линии процесса абсорбции:

,

где Мвод = 18 – молярная масса воды,

= 0,654 атм = 66 кПа константа Генри для NH3 [2c. 826].

0,163 = 1766 /{29121[17/18 + (1 – 66/121)]}.

Решая это уравнение получим = 0,626 кг/кг.




Рис.1 Зависимость между концентрацией аммиака в газовоздушной смеси и воде .
Через точку А ( = 0; = 0,015) и точку В1 ( =0,163; = 0,626) проводим прямую, которая является рабочей линией при мини­мальном расходе воды mmin:

mmin = tgmin = = (0,163-0,015)/0,626 = 0,236 кг/кг.

Действительный расход воды m = 1,3mmin = 1,30,236 = 0,31 кг/кг,

тогда уравнение рабочей линии будет:

,

отсюда конечная концентрация аммиака в воде = 0,477.

Через точки А и В (; ) проводим действительную рабочую ли­нию процесса абсорбции.

Расход воды на входе:

Lин = mGин = 0,311,118= 0,347 кг/с.

Расход воды на выходе:

LK = Lин + М = 0,347 + 0,111 = 0,458 кг/с.

Средний расход воды:

Lср = 0,5(Lин + LK) = 0,5(0,347 + 0,458) = 0,403 кг/с

Средний расход газовой фазы:

Gср = 0,5(GH + GK) = 0,5(1,30 + 1,189) = 1,245


  1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАМЕТРА АБСОБЕРА
    1. Средняя плотность газовой фазы.


Средняя мольная концентрация:

у = 0,5(0,22 +0,010) = 0,160.

Средняя молекулярная масса газовой смеси:

М = МАу+(1 – у)МВ = 170,160+290,840 = 27,08 кг/моль.

Плотность газовой фазы при рабочих условиях t=15 C; Р = 121 кПа,

г = МТ0Р/(22,4ТР0) = 27,08273121/(22,4288101) = 1,37 кг/м3.

7.2. Предельная скорость газовой смеси


Принимаем в качестве насадки кольца Рашига с размерами 25253,0

Предельную скорость газовой фазы wпр, соответствующую точке ин­версии фаз, т. е. переходу от пленочного гидродинамического режима к эмульгированию найдем из уравнения

,

где ж и в – вязкость абсорбента при 15 С и воды при 20 С; в нашем случае (ж / в)0.16 = (1,14/1,0)0,16 = 1,02

ж = 1000 кг/м3 – плотность воды;

А и В – коэффициенты зависящие от типа насадки: для колец Рашига

А = – 0,073; В = 1,75 [2c. 65]

dэ = 0,015 м – эквивалентный диаметр насадки с размерами 25253,0

 = 0,740 м33 – свободный объем насадки

lg[wпр21,37/(9,80,0150,74021000)1,02] =

- 0,073–1,75(0,403/1,245)0,25(1,37/1000)0,125

откуда wпр = 3,6 м/с

7.3. Рабочая скорость газовой фазы:


wг = wпрn = 3.60.9 = 3.24 м/c,

где n = 0,9 – для турбулентного режима работы абсорбера [2c. 65].

7.4. Диаметр колонны:


= [1,245/(0,7851,373,24)]0,5 = 0,59 м.

Принимаем стандартный диаметр 0,6 м, тогда действительное значение рабочей скорости газовой фазы:

wг = Gcр / (0,785dк2г) = 1,245/(0,7850,621,37) = 3,22 м/с.

Условие wг/wпр = 3,22/3,6 = 0,89 < 1 выполняется.


  1. РАСЧЕТ ВЫСОТЫ СЛОЯ НАСАДКИ

8.1 Число единиц переноса

Число единиц переноса находим как площадь под кри­вой .

По данным рис. 1 составляем таблицу 1 и строим график 2










0

0,015

0

67

0,10

0,046

0,026

50

0,20

0,077

0,052

40

0,30

0,108

0,078

33

0,40

0,139

0,104

29

0,477

0,163

0,124

26







my = 4,89

Рис.2 Определение числа единиц переноса графическим методом.
Искомую площадь находим методом трапеций:



= S = (0,163-0,015)/6[(67+26)/2+50+40+33+29]=4,89

8.2 Высота эквивалентная единице переноса по газовой фазе:


,

где b = 0,123 – для колец Рашига [2c. 69],

а = 200 м23 – удельная поверхность насадки [1c. 524],

 – коэффициент смачивания насадки, зависящий от отношения ра­бочей плотности орошения U к оптимальной Uопт.

Uопт = Ва = 0,158200 = 31,6 м3/(м2ч)

где В = 0,158 – для процесса абсорбции [2c. 70]

U = Lср3600/(0,785dк2ж) = 0,4033600/(0,7850,621000) = 5,1 м3/(м2ч).

U/Uопт = 5,1/31,6 = 0,16   = 0,19 [2c. 69].

Критерий Рейнольдса:

Reг = 4wгг/(га) ,

где г – вязкость газовой смеси,

Вязкость воздуха при 15 С

,

= 17,310-6(273+124)/(288+124)(288/273)3/2 = 18,110-6 Пас

где 0 = 17,310-6 Пас – вязкость воздуха при 0 С [1c. 513],

c = 124 – вспомогательный коэффициент .

Вязкость аммиака при 15 С



= 9,1810-6(273+626)/(288+626)(288/273)3/2 = 9,7810-6 Пас

где 0 = 9,1810-6 Пас – вязкость воздуха при 0 С [1c. 513]

c = 626 – вспомогательный коэффициент
Вязкость газовой смеси найдем найдем из соотношения

или

27,08/см = 170,160/9,7810-6 + 290,840/18,110-6

откуда см = 16,710-6 Пас

Reг = 43,221,37 / (16,710-6200) = 5283.

Диффузионный критерий Прандтля:

Prг = см / (гDг) = 16,710-6/(1,3715,410-6) = 0,79,

где Dг – коэффициент диффузии аммиака в воздухе:

= 17,010-6101/121(288/273)3/2 = 15,410-6 м2/с,

D0 = 17,010-6 м2/с – коэффициент диффузии при стандартных условиях .

hY = [0,740/(2000,1230,19)]52830,250,790,67 = 1,15 м.

8.4. Высота эквивалентная единице переноса по жидкой фазе:


hX = 119(ж2/?ж2g)1/3Reж0,25Prж0,5.

Критерий Рейнольдса:

Reж = 4Lср/(Sкаж) = 40,403/(0,7850,622001,1410-3) = 25,0

где Sк – площадь поперечного сечения колонны.
Диффузионный критерий Прандтля:

Prж = ж/(жDж) = 1,1410-3/(10001,810-9) = 633,

где Dж = 1,810-9 м2/с – коэффициент диффузии аммиака в воде [1c. 540].

hX = 119[(1.1410-3)2 / 100029,81]1/325,00.256330.5 = 0,34 м

8.5. Высота слоя насадки эквивалентная единице переноса:


= 1,15+(0,2601,245/0,403)0,34 = 1,42 м,

где m = 0,260 – тангенс угла наклона равновесной линии.

8.6. Суммарная высота насадки:


H = mYh0 = 4,891,42= 6,9 м.

Отношение Н/dк = 6,9/0,6 = 11,6.

Высота слоя насадки не должна превышать 4dк, поэтому принимаем 3 слоя насадки высотой 2,30 м, между которыми устанавливаем перераспреде­лительную тарелку ТСН-II. Над верхним слоем насадки устанавливается рас­пределительная тарелка ТСН-III.

Техническая характеристика тарелок [2c. 146]




ТСН-II

ТСН-III

Рабочее сечение, м2

0,173

0,113

Сечение слива, м2

0,0151

0,0127

Максимально допустимая нагрузка по жидкости, м2/(м3ч)

165

145

Диаметр патрубка, мм

45

45

Количество патрубков

25

21

Шаг патрубков, мм

80

80

Масса тарелки, кг

7,0

5,0




  1. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

9.1. Плотность орошения насадки:


U = 5,1/3600 = 0,0014 м3/(м3с).

9.2. Коэффициент сопротивления:


 = 16 / Re0,2 = 16 / 52830,2 = 2,88.

9.3. Скорость газа в свободном сечении насадки:


w0 = wг /  = 3,22/0,740 = 4,35 м/с.

9.4. Гидравлическое сопротивление сухой насадки:


= 2,886,94,3521,37/(20,015) = 17172 Па.

9.5. Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки:


= 17172101840,0014 = 31076 Па,

где b = 184 – для колец Рашига [3c. 201]

По этой величине и объемному расходу 0,972 м3/с выбираем газодувку ТВ-42-1,4 [3c. 42], для которой Р = 40000 Па; Q = 1,00 м3/с.

9.6 Подбор насоса для подачи воды.


Из материального расчета имеем L = 0,403 кг/с. Это количество воды необходимо подать на высоту приблизительно 14 м.

Объемный расход воды Q = 0,403/1000 = 0,0004 м3/с. По этим вели­чинам выбираем центробежный насос Х2/25 [3c. 38], для которого

Q = 0.00042 м3/c; Н = 25 м.


  1. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ

10.1. Толщина обечайки:


= 0,60,121/21380,8 + 0,001 = 0,003 м,

где д = 138 МН/м2 – допускаемое напряжение [3c 394],

 = 0,8 – коэффициент ослабления из-за сварного шва,

Ск = 0,001 м – поправка на коррозию.

Согласно рекомендациям [4 c24] принимаем толщину обечайки  = 8 мм.

Корпус колонны диаметром до 1000 мм изготовляют из отдельных царг,

соединяемых между собой с помощью фланцев. Высота царги равна:

lц = lн+1000 = 2300+1000 = 3300 мм.

Каждый слой насадки располагается на опорной решетке, конструкция

которой приводится на рисунке:




Для загрузки и выгрузки каждого слоя насадки в корпусе колонны

должны быть предусмотрены два люка: один – под распределительной

(или перераспределительной) тарелкой, второй над опорной решеткой.

Диаметр люка для колонн диаметром 600 и 800 мм – 250 мм.

10.2. Днища.


Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 – 78 [3 c.25], толщина стенки днища 1 = = 8 мм.


600

Масса днища mд = 28,3 кг.

Объем днища Vд = 0,035 м3.

10.3. Фланцы.


Соединение царг между собой и с днищами осуществляется с помощью плоских приварных фланцев по ОСТ 26–428–79 [4c36]:


10.4. Штуцера.


Диаметр штуцеров рассчитывается по формуле:

d = ,

где G – массовый расход теплоносителя,

 - плотность теплоносителя,

w – скорость движения теплоносителя в штуцере.

Принимаем скорость жидкости в штуцере w = 1 м/с, а для газовой смеси w = 25 м/с, тогда


диаметр штуцера для входа и выхода воды:

d1,2 = (0,403/0,78511000)0,5 = 0,023 м,

принимаем d1,2 = 25 мм.
диаметр штуцера для входа и выхода газовой смеси:

d3,4 = (1,245/0,785251,37)0,5 = 0,22 м,

принимаем d3,4 = 200 мм.
Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80, конструкция и размеры которых приводятся ниже:



dусл

D

D2

D1

h

n

d

25

100

75

60

12

4

11

200

315

280

258

18

8

18

10.5. Расчет опоры.


Аппараты вертикального типа с соотношением Н/D > 5,

размещаемые на открытых площадках, оснащают так называемыми

юбочными цилиндрическими опорами, конструкция которых приво-

дится на рисунке.

Ориентировочная масса аппарата.

Масса обечайки

mоб = 0,785(Dн2-Dвн2об?

где Dн = 0,616 м – наружный диаметр колонны;

Dвн = 0,6 м – внутренний диаметр колонны;

Ноб = 14 м – высота цилиндрической части колонны

? = 7900 кг/м3 – плотность стали

mоб = 0,785(0,6162-0,62)14,0·7900 = 1689 кг

Масса тарелок

mт = mр+2mпр = 5,0+2·7 = 19 кг

где 5,0 и 7– масса распределительной и перераспределительной тарелки



Общая масса колонны. Принимаем, что масса вспомогательных устройств (штуцеров, измерительных приборов, люков и т.д.) составляет 10% от основной массы колонны, тогда

mк = mоб + mт + 2mд = 1,1(1689 +19+2·28,3) = 1941 кг

Масса колонны заполненной водой при гидроиспытании.

Масса воды при гидроиспытании

mв = 1000(0,785D2Hц.об + 2Vд) = 1000(0,785·0,62·13 + 2·0,035) = 3744 кг

Максимальный вес колонны

mmax = mк + mв = 1941 + 3744 = 5685 кг = 0,056 МН

Принимаем внутренний диаметр опорного кольца D1 = 0.54 м, наружный диаметр опорного кольца D2 = 0,7 м.

Площадь опорного кольца

А = 0,785(D22 – D12) = 0,785(0,702 – 0,542) = 0,156 м2

Удельная нагрузка опоры на фундамент

 = Q/A = 0,056/0,156 = 0,36 МПа < [] = 15 МПа – для бетонного фундамента.

Литература

  1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов.Л.:Химия,1987, 576 с.

  2. Расчет и проектирование массообменных аппаратов. Учебное пособие. – Иваново. 1984.

  3. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред. Ю.И.Дытнерского. М.:Химия, 1983. 272 с.

  4. Разработка конструкции химического аппарата и его графической модели. Методические указания. – Иваново, 2004.



Скачать файл (81.9 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации